（通信与信息系统专业论文）tdd通信系统中的信号设计、同步及数据恢复算法的研究.pdf

摘要 本文介绍一个无线t d d - - t i ) m a 的通信系统的信号设计方案，对系统中发 送端和接收端的信号处理方法进行阐述，其中包括信道的编解码、同步扶测试序 列豹选撵、发送端熟萋赘信号调制、接收端嗣步靛获取和数据麓恢复，劳详细分 析了无线数字通信中，一种突发数据流快速安琥位同步和帧简步的方法。在论文 中，酋先简单介绍了这种方法的理论，然后使用通信仿真软件s y s t e m v i e w 进行 仿真验证，最后缝用一耪m c u - p i c l 8 c x 5 2 进行编程的其锩实现。整个系统的 基带信号的处理都是通过对p i c l8 c x 5 2 单片枕的编程来实现的，这体现了软件 无线电的思想。文中还对整个系缆的性能进行分析，结果袭明系统在通储环境很 恶劣熟条 孛下哥以保持弱步，芳臻有较好的误鹤率性能。 关键字：t d d ( 时分双工) 、软件无线电、t d m a 、维特比铎法、同步、单片机 a b s t r a c t t h ew h o l es y s t e mi sat d d t d m aw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m m yt h e s i s f o c u s e so i lt h em e t h o do ft h eb a s e - b a n ds i g n a lp r o c e s s i n go ft h ew h o l es y s t e m i t i n c l u d e st h ec h a n n e lc o d i n ga n dd e c o d i n g ，t h es e l e c t i o no f t h es o u n d i n gs e q u e n c e ，t h e b a s e - b a n dp u l s em o d u l a t i o n ，t h ea c q u i s i t i o no ft h es y n c h r o n i z a t i o na n dt h em e t h o do f d a t ar e c o v e r y i nt h i st h e s i s ，an e wm e t h o dt oq u i c k l ya t t a i nb i ts y n c h r o n i z a t i o na n d f r a m es y n c h r o n i z a t i o nf r o mt h eb u r s ts i g n a lh a sb e e nd i s c u s s e di nd e t a i l 。f i r s t l y , t h e t h e o r yo ft h i sm e t h o di si n t r o d u c e d 。t h e nt h es i m u l a t i o no f t h ew h o l es y s t e mi sc a r r i e d o u tw i t ht h e s y s t e mv i e w ”，f i n a l b a l lt h eb a s e b a n ds i g n a lp r o c e s s i n gi sr e a l i z e di n s o f t w a r eo i lt h em c u p i c l 8 c x 5 2s ot h e r ei sav a l u a b l ea t t e m p to i lt h es o f t w a r e r a d i o ：t h e r ei sa l s oad i s c u s s i o no ft h ep r o p e r t yo ft h ew h o l es y s t e mi nt h i st h e s i s i t t u r n e do u tt h a te v e ni nt h eb a dc o m m u n i c a t i o nc o n d i t i o n s ，t h ef r a m es y n c h r o n i z a t i o n a n db i ts y n c h r o n i z a t i o nc a nb ea t t a i n e da n dt l l el o wb i te r r o rr a t i oc a nb er e a l i z e d k e yw o r d s ：t d d ，s o f t w a r er a d i o ，t d m a ，v i t e r b ia l g o r i t h m ，s y n c h r o n i z a t i o n ， m c u 南搿犬学颈士学位论文 第一章概述 遇信分为单工、半双王和双：卜三种方式。所谓单工传输方式即信息总是从一 方传向努方，不可以宓现双向传输信息。所谓半双工的传输方式，双方虽可以 在嚣令方蠢上传羲信怠，壤鼹令方舞上懿偿慧传簸不戆同瓣避嚣。瑟疆硬王瓣逶 信方式，邵通信双方可瞬间嚣于在两个方向上传输信息。双工方式通常有两种：f d d ( 频分双工) 和t d d ( 时分双工) 。f d d 使用前向和反向两个信道，将双向传输 信息溉于不同的频带进行传输。t d d 收发聚用同一个频率，将双向传输信号置 子要不霪叠的对隙中避程传送。 在第三伐无线逶倍椽准的裁定过程孛，灏际上第一次嵩发黧视t d d 方式， 在c d m a 和t d m a 中都制定了1 i ) d 标准。与f d d 相比，t d d 的主要优势在 于：1 ) t d d 能使用各种频率资源，不需要成对的频率：2 ) t d d 遥用于不对称 的上下幸亍数据传输速率，特别适剧于数据业务；3 ) t d d 上下行工作于网一频率， 对称瓣毫渡传羧薅嬖毫整之矮予捷瑁诸蘩餐撩天线等囊菝术，这翻撬燕洼筵、海低 成本的目的。因为在t d d 系统中，相邻基站的收发时隙不能交叉，所以，在这 种邋信系统中，突发数据流( b u l _ s t ) 的同步技术是一项十分关键的技术。 随赣通信技术迅速地从模拟通信过渡到数字通信，现代无线系统越来越多地 使爝软 譬亲实凌罄分或熬侮懿功缱，正囊软传无线电过渡。欲传无线龟是寒来无 线电技术的发震方向，它以数字信号处理技术为核心技术，警旋构造一个具有开 放性标准化模块化的通用硬件平台，将通信系统的各种功能用软件来实现，并 使高速宽带的a d d a 尽缀靠近天线。也即猩发送端，波形是这样产生的：采样 后的数字信号，经过一个宽繁d a c 实现扶数字到模 彗l 躲转换，然蕊从西转换到 r f ；在续渡祝蕊，蓄先缀进下变颓获r f 转换弱瑾，熬焉使溪一个宽蒂的模熬到 数字的转换器( a d c ) ，取出信号。本系统的基带信号处理是猩m i c r o c h i p 公司 的p i c l 8 c x 5 2 单片机一t 通过软什来实现的，与用硬件电路实现对比。整个系统 设计越来比较灵活，调试墩变得简单。 p i c l 8 c x 5 2 系到肇片奉韪跫一季孛裹淫蕤鹣r i s c 巍入式e 戡，它其寿摄多裁 d s p 柒似的性能，但蹙价格相对比较低廉，能满足本系统性价玩的要求。 如前所述，因为本系统是一个t d d 的溉线通信系统，所以论文中突出分析 了获敬同步的方法。一帧中的每一个时隙都锶禽具有良好自相关性能的测试序列 南开大学硕士学位论文 ( s o u n d i n gs e q u e n c e ) ，根据这一特性，在接收端用匹配滤波器进行接收，由滤波 器的输出便可以估计出接收端时钟和接收到的数据流的时钟之间的偏差，即获取 了位同步的信息。同时还可以确定每一帧中数据的起始位置，即帧同步信息。论 文中，详细叙述了这种方法的基本原理，并给出了仿真结果和程序的具体实现。 通过实践检验，这种方法能够保证本系统的正常进行。 本论文的结构如下： 第二章介绍系统的基本结构，包括小区结构和帧结构。 第三章介绍系统发送端和接收端信号处理方法的相关理论和仿真验证。 第四章介绍系统性能分析。 第五章介绍p i c 单片机的基本知识及信号处理方法的具体实现。 癣弹走学硬士学位论文 第二章系统的基本结构 2 1 总述 本系统是一个t d d - - t d m a 的无线逶信系统。它实现瓣一个i 盎霉所有油井 状怒簸测的功戆，整个系统分为蔓缀，由一个中心菇、若二 个二缀链帮每个二缓 站所麓辖的若干个分站缀成。结构框图如图2 一l 所示： 中心 分站 分站 势站 分站 分站 分站 癸菇 耱菇 分站 图2 - - 1 系统框图 中心站是整个系统的核心，它的主要功髓包括瘸期性遮在每一蛟懿第一时隙 发遴包含霜步售惠懿j | 芋麓戳同步系统痰瓣掰裔二级繁纛努站；凌麓二露豫发送需 要猩异常时隙报警的二级站或分站的地址；张其它时隙接收各个二级站的上行信 息；与后端计算机进行状态的通信等。中心站在每帧的每一个时隙内都要进行复 杂的数据处理，故其实时性要求皓常高。 二缀站在整个系统中突当中继、转接懿穆鼷，穗当予墓蘩静凌筏。宅鼙终笼 一个酱遇的分站，又监测辫它所在小区中若干个分站的状态。熊擞耍功能是：对 应中心站的发送时隙，接收包含同步信息的序列，实现其自身的同步和时钟恢复； 对应分站的发送时隙，接收分站发送的状态信息；对应自身的发邀时隙向中心站 发送包含基身或者其鼹在蝾窝悫兮站状态的僚怠。 分站楚系统中最基本鹣单元，它主要负爨在每一串寅鼹第一辩隙，接收中心站 发送的包含同步信息的序列，以获得同步：对应自身的发送时隙，向所在蜂窝内 的二级站发送自身状态信息；检测油井状态。分站的处理相对简单。 分瓣和二级站之间的距离通常比较近，磷中心站和二级站之阅的距离较远。 南开大学硕士学位论文 这里简单介绍一下小区的结构，以及通信的协议和帧结构，为下面详细介绍整个 系统的基带信号处理提供基础。 2 2 小区的结构及帧结构 每个二级站和它管理的所有分站构成一个蜂窝，七个蜂窝构成一个小区。每 个蜂窝对应一帧中的两个时隙( 工| j 常和异常时隙) ，每个小区对应复帧中的一帧。 系统中以小区为单位，实现时隙的复用，如图2 2 所示： 图2 2蜂窝和小区的结构示意图 系统的帧结构如图2 3 所示： 图2 - - 3 帧结构示意图 一个复帧由6 4 帧组成，分别编号为0 6 3 ( 即帧号) ，第1 5 、3 l 、4 7 、6 3 帧作为二级站相互之间的检测，其余每二帧对应一个小区。一帧由1 6 个时隙组 成，分为正常时隙和异常时隙两类。其中第一个正常时隙( i ) 和第一个异常时 隙( i ) 为中心站的发送时隙，其余的时隙为中心站的接收时隙。所以发送和接 收在时间上是分开的，体现了时分双工的特点。 每一个时隙由同步头( s o u n d i n gs e q u e n c e ) 、数据起始位“0 0 ”和数据报 4 南开大学硕士学位论文 组成。每一帧的第一时隙( i ) 包含3 8 比特长的同步头，后面的( i i 试) 时 隙，每一时隙包含2 2 比特长的刚步头。整个系统是一个同步的通信系统，为了 避免干扰，所有二级站和分站都只有在对应的时隙才可进行发送( 帧号符合、时 隙符合) 。在下行链路时隙，中心站通过发送“s o u n d i n gs e q u e n c e ”同步所有的 二级站和分站。在上行链路，分剖i 二级站根据自身的地址向相应的二级站中心 站发送状态信息。在一个时隙，个蜂窝内只有一个地址匹配的分站向二级站发 送信息：在一帧中，系统中只有个地址匹配的小区中的二级站在相应的时隙向 中心站发送信息，此时它不接收分站的信息状态。所阻，同步的获取和维持对整 个系统的正常运行至关重要。 2 3 系统的框架 本论文主要研究整个通信系统中基带信号的处理，由o s i 网络结构模型可 知：在发送端上层通信协议将需要发送的数据交由底层通信协议，底层协议完成 对数据报的编码、组帧、成形及调制，并通过硬件电路将其发送出去；在接收端， 射频电路将接收到的信号经过解调后交由底层协议实现数据流的同步，拆帧及解 码等处理，并将最后得出的数据报传给上层协议。简单的示意图如图2 4 所示： 组帧 带 仕 数据恢复 曾 小 基带信号成形 亏 朴 同步时钟恢复 | d 士a 理 i 忐l +耷 射频发送射频接收 图2 - 4 系统结构框图 从硬件结构的角度：在接收端，射频电路将收到的信号解调，经过a d 转 换后送到基带处理器，基带处理器完成图2 4 虚线框中右边所示的各种操作， 并提取出系统的复位信号将控制电路进行复位：在发送端，在控制电路的控制下 基带信号处理器完成对数据的封装，并通过d a 转换后，交由收发电路发送出 南开大学硕士学位论文 去，这正怒兹蚕所述的较襻无线电器想静蒸本结构。整个系统硬伟结构耧强如图 2 5 所示： 收= 匪 发 基带她理器 信( p i c 芯片) 壤 = b 图2 - 5 系统璜件结梅穰强 基带信号的数据率足1 0 k b s ，每一时隙的比特数定为5 6 b i t ，为5 6 m s ，一帧的 长度为5 , 6 1 6 = 8 96 m s ，一复帧的时间长度为8 9 6 ( 6 4 = 5 7 3 4 4 s 。通过实验， 己缀迁明遮梯一个方案是可行的。 一 6 南开大学硕士学位论文 第三章信号处理的基本原理 3 1 总述 在这一章中主要讨论基带信号处理的基本原理，包括发送端的信号处理：信 道编码、帧结构中同步头序列的选择、基带信号调制；接收端的信号处理：同步 及时钟信号的恢复、数据恢复、信道解码的实现等。系统中有两个问题需要重点 讨论：1 ) 调制器的调制方式是直接调频方式，所以必须找到一种适合于直接调 频实现的基带信号调制方式，以降低码间干扰和误码率，提高传输质量；2 ) 如 何从突发码流中准确地提取出帧同步信息和位同步信息，从而正确地恢复出数据 信号。 3 2 发送端的信号处理 3 2 1 信道编码 系统中采用了两种信道编码方法：( 7 ，4 ) 编码和缩短( 6 ，3 ) 编码。这两 种码都属于汉明码。汉明码是一剩r 可以纠正单个错误的线性分组码，它的码长n 、 信息码位k 和监督位r 满足如下的关系： 拧= 2 ”一l ，k = 2 一l 一卅，= 门一k = m ( 3 2 1 ) 给定m ，可构造具体的汉明码。( 7 ，4 ) 汉明码m = 3 可以纠正1 个错误。其对 应的生成矩阵为： ( 6 ，3 ) 缩短汉明码是将( 7 ，4 ) 汉明码的码长n 和信息位k 同时缩短1 位 得到的，对应的生成矩阵删除掉一行和一列。汉明码的编解码可通过专用的编码 器和泽码器硬件电路来实现。在这个系统中，编解码是用查表的方法实现的。编 码的表格如表3 1 所示，其中阴影部分所示是( 6 ，3 ) 缩短汉明码的编码表。 表3 一i( 7 ，4 ) 码编码表 i i o l 0 | i 1，0 ，o 0 ， o o 0 o ，o o o o 0 。l 南歼大学磺士学位论支 献枣雯缝稳可爨，繁一个歪露时隙罴要发送毽含凌步岩惑戆彦裂嚣睾交譬。峻号 共有6 使，采用( 6 ，3 ) 缩短汉嘲编码将6 位的帧号分成两组，编码成1 2 位比 特序列，如图3 一l 所示： 商位字节低位字节 盈3 一l ( 6 ，3 ) 编鹨爨静数据结擒 对于其余的时隙需要发送的信息为二级站戏分站的地址及状态位。状态位用 2 比特寝示，地址位和状态位共1 6 比特信息，采用( 7 ，4 ) 编码，分成四组编 褥袋2 8 b i t 静信惑，懿鹜3 2 所，嚣： ” ：塞三二圈二! 黧! 口壁要二：座要二卫 l 、，l y 一，l 旷人y 溅离字节孜最高字节鞍低字节羝谴字节 图3 - - 2 ( 7 ，4 ) 编码晒的数据结构 3 2 2 随步头序列的选择 嗣步的获取帮信道的估计都怒以同步头侉捌( 测试序别) 为基础静，发送端 发送一个接收端已知的测试序列，以便接收端可以获得位阿步和帧同步倍息。通 常测试序列都是具有良好自相关r 姥鲍伪随机序列，需要邋避诗算机搜索鲍方法 来选出。这里选用m 序列 乍麓溺步头。对于中心始选塌5 阶m 序列遗行发送， 对于二级站和分站分别选用互为镜像的两种4 阶m 序列，两种m 序列的0 、1 序列农一个周期内鲍辕出次序正好是相反的。 m 序列是最长线健移位寄存嚣痔列的简称。它是由多级移位寄存嚣或其它延 迟元件通过线性反馈产生的周期煅长的码序列。在二进制移位寄存器发擞器中， 羞n 为级数，刘鬃筑产生懿最大氏疫豹玛序裂为2 ”一i 位，葵孛l 懿令数毙2 ”1 ， 0 的个数为2 ”1 1 。 i n 膨列具有良好的自相关特性。皇相关麓数由( 3 2 2 ) 式计算： ，c f 舀：a - d 3 2 2 ) ， s 毒嚣丈学硪圭掌经埝文 a 是序列中“0 ”的位数，d 是序列中“1 ”的位数，令p 咄+ d = 2 “一1 ，则： 最( r ) = 一1 1 芦：i 。0 ( 3 2 3 ) 最( 7 ) 2 一p f ( 3 1 2 3 在接收端瑷匿酝滤波鹣接l 雯痿号时，只脊在全帮的序列都收戮辩，滤滚爨豹输出 才为1 ，其余时候均为一1 p ，如果选用4 阶的m 序列，极大值是极小值的1 5 倍。 因为m 序列中1 的个数总比0 ( 实际传输时0 用，1 袭示) 的个数多1 ，猩这 个系统串秀了攥i 霆发送售号豹平均电警必0 ，将序列加以敬进，在其末尾於上一 个0 ，使整个序翔的1 帮0 懿个数稷簿。闲霹凳了保诞镶浚滚实凌精确瓣傣瀵继 计，将序列中前3 b i t 附加在末尾，将序列中的最后3 b i t 附加在首位。最后得到的 5 阶m 序列的长腱为3 8 比特( 原始| 葶列长度为3 1 比特) ，4 阶m 序列的长度为 2 2 比特( 原始序列长度为1 5 比特) 。霹定进后的4 阶m 序列的自相关峰值为1 6 ， 箕余嚣蘩戈- 4 。 为了便于两糟的比较，首先求m 序列的相关值，方法如下：将一个周期的 m 序列和其扩展序列( 将前者的前3 比特加在末尾，后3 比特加在首位) 求飘相 关，m 序列相关峰如图3 3 如下： 鼙3 - - 3m 窿捌摆关连菸示意蓬 将一个周期的m 序捌补零后的序剐和英扩展序列( 将前舞的前3 e 特加在求熙， 后3 比特加在酋能) 求互相关，相关峰如图3 4 所示： 图3 4 改进腑的m 序列相关峰的示意图 出两者据关蜂鸵波骺比较，可见改遂质的m 序列也具露良好的相关性锃。 9 瘫齐文学矮圭学重童谂文 圈3 5m 序列和改进搿的m 序列相关峰示意图的比较 由图3 5 可知，仿真结果和实两i 计算结果的相对大小相同。 3 2 3 发送序列的麓鬻辔号调制 一个逶售系统懿蒺量在缀大程度土俊籁予所采薅豹塌潮方式。谖裁是笼了馒 信号特性与信道特性相匹配。因此，调制方式的选择是由系统中信道的特性来决 定的。实际信道一般都具有带通的传输特性，基带数字储譬不能直接在带遇信道 中传输。一般的数字通信系统都是邋过载波键控的方法采避萼亍传输豹。在这系 统孛鼓菝电路暴麓了壹接诿额赘方式，灏疆螫矮采露一秘瀵合予壹接诵簇实瑰鹣 基带数字调制方式。经过比较，选甩2 r c 信号作为基带调制信号，采用2 r c f m 调制方案。 、2 r c 基带信号 2 r c 基荣信譬楚一秘嚣霹满是奈囊蘩特第一、篱二壤粼戆售号。它豹底毙为 两倍符号间隔弱舞余弦脉冲。滚降系数为= l 的升余弦赫冲，朝双码元阗黼升 余弦脉冲，如( 3 25 ) 式所示： 坤) ：加+ c o s ，纠l 强：m 0，眇疋 出p ( t ) 酶公式可知： ( 1 ) p ( t ) 是一个偶函数，满足 p o ) + p ( t t ，) = 1 沁) - p ( t - t c o s 秀爻 2 6 保证了同步叠加麟的随机数字序列为连续信号，无蹴炎沿。 ( 2 ) 在脉冲边缘，数值为零；表明时限双码元脉冲在t n 时数值为0 。 ( 3 ) 在t - - = t j 2 嬲，脉冲幅度等予蟓氆靛一半，躲冲燎谯蹬现在脉冲的中阉辩 南开大学硕士学位论文 刻上。 其中( 2 ) 式，由此脉冲同步叠加产生的随机数字序列，当在数据码元间隔 的整数倍时刻采样时，将不会产7 e 符号间的干扰。( 1 ) 和( 3 ) 表明，用这种双 码元间隔脉冲同步叠加产生的数芦序列无定时抖动，因为定时抖动由频限脉冲的 振荡尾巴引起，时限脉冲无振荡“尾巴”，且“l ”、“0 ”叠加后，产生的随机数 字序列在码元中间t 。2 时刻总为0 ，不存在定时抖动。 二、2 r c 信号的具体实现 2 r c 信号的成形可以采用硬件电路来实现，包括脉冲叠加法、非线性转换滤 波器法和横向滤波器的方法。相比较而言，后两种方法用电路实现起来比较复杂， 通常采用脉冲叠加的方法。 使用s y s t e m v i e w 做仿真分析时，波形成形是用脉冲叠加的方法实现的：实际 中具体实现时，则是采用了软件的方法。根据前面p ( t ) 的公式可以看出，当输 入n r z 信号为连1 时，输出的波形是l ；当输入n r z 信号为连0 时，输出的波 形是0 ，当输入的n r z 信号由0 变为1 时，输出的波形是c o s 酬t ，( t s t 2 t s ) 当输入的n r z 信号由l 变为0 时，输出的波形为c o $ 刀l ，( o t 辩 相同，出现位最推迟了1 2 b i t 。 由上面分析可知： 1 ) 由于接收端与发送端不同步，聚样点的位置会出现偏移，这里偏移是来栉时 镑籀怼予最镶袋撵点霞矍羲言。 2 ) 采样点的佼麓不同，滤波器输滋极僮附近的连续三个输出值呈现毒不同酶关 系，由仿真鳍果可以清楚地看出这种对应关系。 3 ) 当采样点的位爨落在上述两利，聚样点位置之间时，输出值呈现出的形状也会 落在这两释镶嚣对应输出擅所界定豹范围之内。 4 ) 滤波器簸毒鹩蜂篷形状楚交m 彦g , j 采样点静往饕决定鹣，与彦确0 、l 琵羚瓣 ”。 输入顺序没有关系，所以两种镜像序列的判断标准是相同的。 三、进一步的理论分析 由前嚣的仿舆分析可以得出爆醚滤波器的输出和袋样点位置之间的对威关 南开大学硕士学位论文 系，下面简单分析一下滤波器的输出与同步位置之间的关系。 由通信系统的理论，在p a m 系统中，匹配滤波器的输出是测试序列的自相 关函数( 可能有某一延迟) ，这个自相关函数在最佳采样时刻是最大的，而且是 对称的。这就意味着在无噪声存在下，在采样时刻t + = t + 艿和t - = t 一占，匹配 滤波器的输出是相等的，即y ( r + ) = j ，( r ) 很明显，这种情况下最佳采样时间就是 提前和迟后采样时刻之间的中点： t t * + t -( 3 3 3 ) 2 当不是在最佳采样时间t 采样，设采样时间为t 。如果在t + = t 1 + 巧和 t 一= t 一万处，取两个额外的样本，这两个样本对于最佳采样时间t 就不是对称 的，因此不再相等。对于正和负输入脉冲的典型自相关函数及其三个样本如图3 2 0 所示： 图3 - 2 0 匹自b 、德渡器输出的不恿倒 图中t一=ta( 3 3 4 ) t + = t + 占2( 3 35 ) 这里 占l 陟( r 1 ，则在这种情况可有 t p ( r ) l 时，正确的采样时间是在假定的采样时间之前。相反 当p ( 7 1 一) l i y ( t + ) 1 时，正确的采样时间是在假定的采样时间之后。显然，当 i y ( t 一) i = l y ( t + ) l 时，采样时间是i 确的，无须进行矫正。 南开大学硕士学位论文 由图3 1 8 可知：当完全同步时，自相关峰是对称的：当采样点的位置从理 想采样点变化到采样点位置偏差7 1 1 6 t 。的过程中，相关峰形状的变化规律如图3 1 8 中所示。根据前面的分析，前四幅图相关峰的形状表示实际采样点位置落 后于正确的采样点的位置。当采样点位置偏差1 4 t ，时，匹配滤波器的输出是完 全对称的，故这是一个临界的位置，可以认为采样点位置先于理想采样点位置 1 4 t 。，也可认为其采样点位置落后理想采样点位置1 4 t s 。 当匹配滤波器的输出形状呈现出如图3 一1 8 中的后三幅图所示时，采样位置 超前于理想采样点的位置，依次是超前3 1 6 t 。、超前1 8 l 、超前1 1 6 t ，。同 时，由仿真可知它们分别对应采样点位置偏差5 1 6 t ，、偏差3 8 t ，和偏差7 1 6 t ， 时匹配滤波器自相关峰的输出。所以由这一理论可知：根据匹配滤波器自相关峰 的输出，可以判断位同步位置的偏差范围在落后1 4 t ；到超前1 4 t ，之间。在这 个范围内相关峰的形状和位同步位置是一一对应的。 所以，由上面的分析可知，如果能够确定滤波器输出极值附近的连续三个样 本值相对大小的范围。便可以分析出来采样点的位置，也即接收端的时钟与数据 流时钟的偏差。与一般的位同步控制电路不同，这里根据前面所述的维特比均衡 的思想，在获得这一信息之后，并不将位时钟位置调整，而是将参考的脉冲序列 进行相应的矫正。 考虑到这一通信系统是应用与郊区，干扰主要表现在噪声的影响上。滤波器 的四种输出仿真结果与噪声和输入波形的关系如图3 2 1 所示。可见当噪声比较 强的时候，滤波器的输出也呈现出如上所述的对应关系。在基本确定采样点的位 置之后，还可由输出的极大值估汁出接收波形的幅度值。 噪声输入波形 南开大学硕士学位论文 图3 - - 2 噪声、输入波形和匹配滤波器输出的示意图 四、采样点位置确定的具体算法及同步的估计 如前所述，系统中将可能出现的采样点位置分为四种：没有偏差，偏差1 ，8 比特，偏差1 ，4 比特偏差3 8 1 ；k 特，判断这四种采样点位置的门限位置为：偏差 1 1 6 1 # _ , 特、3 1 6 比特、5 1 6 e t 特并1 7 1 6 比特。计算步骤如下： 1 ) 首先分别计算出，采样位嚣肴i o 比特、1 1 6 1 ：p _ , 特、3 1 6 t ；k 特、5 1 6 1 ；k 特、7 ，1 6 比特时自相关峰附近连续三次滤波器输出值的相对大小。计算公式如下：设 三次输出值中最大值为m a x ，最小值为m i n ，中间的值为m i d ，这样定义相 对大小九( t ) ：竺祟竖2 型丝丛堕。采用这种方法定义是因为这样可以减少 纠z f r 卜m i ) ( r ) 噪声的影响。 2 ) 考虑到采样位置在1 ，8 和3 ，8 比特附近时九( t ) 大小是相等的，所以当接收到 的序列进入滤波器时，判断力法如下： o 根据信号波形的实际情况估计一个门限值，只有当滤波器的输出值高于这 摩拜太学矮士学位论文 个f 1 限值时，才开始计算x ( t ) ，这样可以避免由于干扰( 噪声) 的影响 而引入的伪间步峰，由上百l 图中可以清楚看到伪同步峰的存在。 母将连续三次的滤波器输出使保存下来，经过比= 铰依次选出m a x ( t ) ，m i d ( t ) ，移酗| 辩 2 的电平量化，然后输入到维特 比处理器中，适用于这种q 进制输入的维特比处理器称为软判决维特比处理器。 软判决的方法即是为了寻找与接收序列具有最小软判决距离( 欧氏距离) 的路径， 用欧氏距离代替汉明距离作为选择幸存路径和处理器输出的准则的一种方法。 ( 论文中之所以采用维特比算法恢复数据，可从下面一章的性能分析中找到原 因。) 存在高斯白噪声( a w g n ) 的情况下，接收机中得到的带通信号可以表示为： ，0 ) = f ( f ，口) + 元( f ) ( 3 ，31 1 ) 这里殛，口) 是带通发射信号，其中t 表示发射时间，口为发射数据，f o ) 是带限 a w g n 信号。最大似然接收机要使f o ) 和f o ，口) 之间的欧氏距离达到最小，欧氏 距离表示为： d 2 = e ( 芦0 ) 一f q ，万) ) 2 d t ( 3 31 2 ) 无限长的估计序列缸 表示可能的接收序列。进一步展开得： d 2 ；e f 2 ( o a t + e f 2 0 ，w ) a t 一2 e f ( f ) 可( 屯亩) 馥( 331 3 ) 对于所有的估计序列表达式中第一项都是相同的，第二项对应估计信号的能量 n e ，也可以忽略不计：所以欧式距离的最小对应下面表达式 c 留) = 仁1 f o 声( f ，百 ( 3 3 1 4 ) 的最大值。 完全可以按照上面的方程构建接收机，在这种接收机中所有可能的发射信 号都与接收信号求相关，被选择n 勺万序列将拥有最大的c 晦) ，然而，即使很短 的脉冲序列，这种结构也是不可实现的，因为比较的数目随着序列长度的增加呈 指数增长。为了解决这个问题，定义： c 。；圹尹晦( f ，瓦净 ( 3 3 1 5 ) 3 0 南开大学硕士学位论文 因此： c 。= ( 1 。每) + z 。( - ) 其中c 。扛) 和z 。晦) 分别代表量度( m e m c ) 和增量量度( i n c r e m e n t a lm e t r i c ) 。对一个 特定的孑，z 。可以表示为： z 。= p ”7 f e 碰，瓦净 ( 3 3 1 7 ) 习l l l c 。 ) 可以利用方程3 3 1 6 递归运算，这里z 。( 功是一个增量量度，是第n 个信号时隙接收到的信号和估计信号的相关运算。 为了描述“v i t e r b ia l g o r i t h m ”的具体实现，以本文中的2 r c 基带信号处理 为例，详细描述如下。如前所述，2 r c 基带信号每一比特的输出与当前比特和前 一个比特相关，表示为口。口，。，可以产生g 种可能的波形 s 2 5 1 图3 - - 2 32 r c 信号状态转移框图 在图3 2 3 中，逻辑0 和逻辑1 分别由一1 ，+ 1 代表。如果系统初始状态 为一1 ，当输入比特口。= 一1 ，调制器输出波形s o ；当输入比特口。蚪1 时，调制器 输出波形s 2 ；如果初始状态为1 ，当输入比特口。= 一l ，调制器输出波形s 1 ；当输 入比特a 。= + 1 时，调制器输出波形s 3 。 通过以上讨论，可知发射机如何基于当前比特和前一比特产生输出波形s i ， 现在讨论存在信道噪声的情况下，最佳接收机如何再生比特序列。正如我们所知 道的，接收机在每个比特间隙里，都会处理所有可能的发射波形s i ( i - o ，1 ，2 ， 3 ) 与接收的信号波形的相关。现在相关处理过程产生了4 个增量量度z 。归) = z i = o ，l ，2 ，3 ：如图3 - - 2 4 所示。虽然最大的z ，暗示这对应的s i 最有可 能是发射波形，但是我们避免在平个发射比特周期内做出判断。相反的，按照方 南开大学硕士学位论文 程( 3 。3 1 6 ) ，由e g j n n n 4 c 。，嚣) 戆擅和四个z 。蕊僮，计黪汹个c 。熬每一 个值。例如，c 。姣。兀) 表示状态t 0 。状态t o 在n 时刻的两个量度可以由 e 妇。，t ) 表示，其中饼。= 1 ，t j 愁( n 1 ) 时刻状态。表示如下： c 。0 l ，瓦) = c 。，阮) + z 。 ( 3 3 。1 8 ) 和 c 。( - i ，r , ) - - c , , - i 话) + z 。 ( 3 ，3 。t 9 ) 只有这两个量度中较大数值的一个髓度才会保存下来，并且命名为c 。佤) ，也保 存下搿。鞠逻辑蕴，载怒0 。每令状态罄重复这个j 霪程，产塞涎令量度，这嚣令量 度在下一个比特中将被使用。 g 1 1 疆。) c a 1 ( t o 表示输入- j 表示输入+ 1 c n f - 1 ，t o ) e n ，t o c n n tt o ) 钱f i ，t o 强3 2 4 维特毖译码的嬲格示意图 这样瓣递超过程程接下来的每院特闻陈中蘩笈，毽藏是，每个状态孛与较大 c 。相关联的网格中的路径都保存下来，另外这个比特的逻辑值和能够产缴到这 个状态豹鼹经蕊一起绦孬下寒，在数据彦翔缝窳避，弱察两个状态戆最嚣爨凄， 最大的嫩度值对应的就是最佳路绳，这个最佳路径相对的序剐也就是最有w 能的 发射序列。 讨论：苟壤看出最大纯接牧零i 发送信号之阉瓣受攘关等效予矮，l 、纯嚣嚣之阉 的欧氏躐离。这种恢簸数据的方法怒维特比算法( v a ) 。当v a 应用于均衡衰弱 信道时，则称这种算法为维特比均缀( v e ) 。为了减小比特流恢复时谈码产生 弱壤率，帮避受选撂撵貉圈孛豹镄溪鼹径，毖缀凌数据滚之瓣拯入1 令“0 ”( 约 束长度) ，以使维特比处理器的仞始状态为零状态。所以，由、，a 沿栅格圈可回 溯的所谢路径都假定怒起源于全零的状态。当用前述的方法娥理完所有的倍息数 南舞大学醭戋举谴论文 据嚣，爆姆比处理嚣还需蒙接牧剁 个“0 ”比姆钕，以确保鼹后鞠状态也是“0 ” 状态。隧厢，簸毯黪程霹藤酶簸 逛羧罐痔秘被读凌。邃个黪裂经避“0 ”状态终 瀑，强蕊露最，l 、瓣淤积羹痰。 三、懿姆毖算法的具体实现 考惑委j 2 r c 基蹬绩鼍豹姆点，蠢鬟凝交采襻穰霪乏惫，茸荻撩掭髂诗黪袋 彀壤罨槎废馕诗舞爨辩正瓣采撑德：麓秘z ，u = 0 ，2 ，3 。褒第歉个比特豹 蘸个袋样嚣耄辩，欧菠鞭裹霹馘淡示毙黛一麓；2 ；褒爱个慕襻嚣窖掰，漱茨妪 离可以淡承为菇莸) 2 ，则个比特瞬增爨激魔w 潋表潜为： 捧 * = 沓勰) “十( 女羹一莸) ；u = 0 ，2 ，3 3 。3 ，2 0 ) 考虑剔偿号愚娥鹣，繇熬褥增 蠢蠹液熬计爨麓饯舞： = 敝一到+ 圾到 ( 3 。3 2 1 ) 餐整嚣个溪爨鍪发德嚣，禳擐缀特琵簿法熬“糖一貔邀”栽藤，爵激逮爨一条蓑 德翡黪镪。缝姆激辫法麴缓阗帮嘲壤强魏下鬻掰零： 孑嚣；磊黼 增嚣爨擞训箨器 矗i 觏 增羹煮麓持靠器 一l 露；m ：。 壤薰囊凌 ! 薄嚣 孑： jm n 壤耋耋菠司蓐嚣 u = l 维特院她疆嚣 u = 2 u = 3 健誊 岸 输出 蚓3 2 5 弧橇黼 黪骞镄诗密寒魏参数程蛰翦鼙寸激内蹙不变熬，当下一个数据毽粪来露，焱缝嚣始 麟靛暴张袋黉翡愁嚣，震波澎袋弹谴秘诗舞。 精开太学硕士学位论文 图3 - - 2 6v a 喇格图 3 + 3 ，6 馈遭餐弱 如前所述，系统采糟两种信邋编码的方法，( 7 ，4 ) 编码帮缩短( 6 ，3 ) 编 褐，编码是矮褒表豹方法，译鹳瞧楚溪爝豢表方法，洚秘弱裘疆见瓣秉。 本肇总结： 蛊盱果每一个比特聚样次，输入至匹醚滤波器中去，裰搿耩关峰值的大小来 翔凝，胃获褥峻鼹疹露慧；这墨每个耽黪袋样嚣次，输入戮嚣瓣滤波器孛去，稷 据噬配滤波器输出的相对关系可以虢得关于位同步的信息。判断时将采样点位鬣 分为嚣类：一炎蹙袋撵点位置超静予菠确袋撵点经受，一类怒浆棒点位熏滞矮予 正确采祥点使鬻。 然磊，将这涎辩壤况翡每一秘稽嚣又继续分秀三类。袋榉焘涝后霹：燕鹚采 样点位置、采样点位鬣滞后l 8n 、采样点位置滞盾1 4 t 。；采样点超前时：采 撵点霞羲超裁1 8 ? ，( 袋撑点位耀凌3 8 只处) 、采捞淼位置越兹1 4 t 。( 荣撵 点缀置在1 4 t ，始) 。其中比较难k 分的是聚样点位霞滞蔗1 4 氕和超前l 4 l 两 种情况。程序中肖时怒对于这两种情况不加驻区分。 在具体实现的时候，对于同步判决位鬣超前的情7 兕，将帧同步信号，即控制 奄路蘸复篷蘩鸯延迟1 2 7 , 绘赉，谈麓慕铎轰整萋漳瑟了1 4 1 ；塑1 2 t ；。嚣为 这棒判断，可以保证维特 译码时璎以正确地按照网格图所豕进行计算。 详细分析如下：獠序中在判断融采样位鼙偏差之聪，会在如下位置绘融簸位 信号。( 0 ) ( 4 4 代表第2 3 个比特前半个采样点值，0 x 4 5 代表厝半个采样点的值， 默魏类摇。) 舞步笈谴僖号是在委戆译妈熬蘩半仑毙特绘爨鹃。怼予o p t2 ， 南开大学硕士学位论文 0 p 1 - 3 ( 实际采样点位置超前于正确采样点位置的情况) ，需要等待1 2 1 , ，在 0 x 4 9 处给出复位信号；对于o p t _ o 和0 p r 1 ( 实际采样点位置滞后于正确采样 点位置的情况) ，不需要延时，直接在0 x 4 9 处给出。四种情况下维特比译码都 在同一个比特的前! 卜个比特开始，维特比译码可以顺利进行。 表3 1 0 同步位置判断的示例 露辩大学硬圭学位论文 第四章系统性能分析 对系统的性能分析分为两个部分：一是判断帧同步时伪失步的概率：二是 使用维特比算法恢复数搬时，误码率的大小。 鲡蘸掰邃，鏊令系绞烹要爱 ：舔嚣夔邋麓，掰鞋系统戆圭袋予撬是潢是毒蘩 分布的自噪声。首先宙髓机过程的理论，简单分析一下帧同步的性能。 4 1 帧同步性能的分析 接收到的数据流首先经过过采样后，送剿匹配滤波器中进行相关的运算。设 接收爨蕊波形为f ( ) ，n r ( t ) = ) + 罪窜) ，浆棒雳鹃篷秀n = 麓+ 穗，嗓声藏餐n i 是个零均值的高斯随机变量，其概率密发溺数可以表示为： p ( m ) = e x p 【一吉( 罢) 】，( 4 1 l 遮墨赢是嗓声方麓。瑟隧，鏊均篷： m = 凰+ 埒 = 凰 十嘞 _ 盛+ o = 尚，( 4 12 ) 一的方麓即是噪声的方麓c r 0 2 。采样值经过暇配滤波器完成一个与系数相乘然后 累热躲过程，缓定滤波器夔辕入蕺是不据关瓣薅瓿变量，则其簸熬逛可跌番残满 足疆态分布的隧枫变鬣。爝y = ：， 表示滤波器的输出结果，：，表示对输 入慎乘以对应的系数( 1 溅者一1 ) 后进行累加的运算，滤波器输出y 的均值可 表示如下： 鬣翔= e e z ，；羽= e e z , ：，& 臻冀= 竣：；s i 】题兰筠】= ：，岛，( 41 ，3 ) y 的方茬方可以表示为： 目y 一研y ：= 研( ：n ) 一：。= 五t x 2 。n ， 2 = n 拶：。( 4 14 ) 掰敷匹配滤波器极傻附近的输出僮y 滚足均僮为：，s i ，方莲海蠢的 、_ 芷态分碴i ，概率密度函数表示为： 彤，= 赢叫c 锛门一， 如前所述，中心蛞用柬同步所有二级站潮分站的测试序列楚5 阶的m 序列， 系统将可能的采样位置分为四种，对应：s ，的值分别为3 2 、3 0 7 8 、2 7 3 1 和 3 0 7 8 。当嚓声翡功率谱密度为0 0 9 3 1 8 2 ，滤波嚣辕密鹃方差。瓯2 3 2 0 0 9 3 1 8 2 = 29 8 。各种采样点谯置对应滤波嚣的输出满足的檄攀密度分布曲线如图 4 - - 1 所示。 圈4 1 概率臻度分露整线 由图4 1 可知，当门限值g a t e 固定酣。伪失步的概率即p 吖g a t e ) 的值， 当采样点位嚣落在偏差1 4 t ，时载褥最大a 假定落在西种采样煮位置的概率相 等，落在每零孛采掸点经誊戆摄率麓l 愆。设f l 骚傻取篷为g a t e - - - - - 2 2 1 3 畦，当 栗梯点位置偏差】4兀时，等=篓等；3，p(ygate)98 17 2 6 5 = o ，o 。1 3 ； 0 2 当采撵点使霆落程l ，8 爻氍3 璐爻时，等= 塑警= s 雠， p ( y g a t e ) 一0 ；当采样点霞遴没寿骟激对，_ g a t e - 3 2 。2 2 1 3 - 3 2 ：5 7 2 ， 2 9 8 1 7 2 6 5 p ( y 的操作，( 7 ，4 ) 编码帮2 r c 波形成形 的表格都存放谯程序空间中。信道编码和波形成形都魁邋过读表指令来完成的， 典型的程序如下： m o v l w l o w ( t a b i l 7 4d e c o d e ) m o v w ft b l p t r l ；将表静低8 位追簸赋给寄存器t b l p t r l ” m o v l w h l g h ( t a b - 7 4 一d e c o d e ) m o v w ft b l p t r h：将表的高8 位地址赋络寄存器t b l p t r h m o v l w u p p e r ( t a b _ 7 4d e c o d e ) 4 4 毒齐大学壤拳藏论文 m o v w ft b l p t r u ；将表的高5 位地址赋给寄存器t b l p t r u t b l r d 。 ；将表中的值读入寄存器t a b l a t m o v f f t a b l a t , r e g ；将寄存器t a b l a t 中的俊读入寄存器r e g 二、淘接寻垃强令 从程序空间巾读出一段数据；普簧用到查表指令，从数据空闻中读出一段数据 则需要用到间接弹址指令。间接刘址怒用来寻址指令中地址不固定的操作数。与 之有关的寄存器怒i n d f 和f s r 寄存嚣。f s r 寄存器可以作为读或写数据空间的 撞针。因为这令瓷存器在r a m 中，它麓悫容可疆通过程垮采修改。f s r 毒移嚣 包含1 2 b i t 的地丘。问棱寻址可以泪i n d f 寄存器来实现，i n d f 通过f s r 中的圭l 垒址 来寻址寄存器。 p i c 中共有三个间接寻址寄存器。为寻址整个数据襻储区空间( 4 0 9 6 字节) ， 这些寄存爨是1 2 比特宽。为了存储1 2 # b 特鹩地址信息，黉要两个8 托特麓寄存 器，这些闻袋寻疑懿缝麓毒存器为： 1 ) f s r 0 ：包含f s r o h 和f s r o l 2 )f s r l ：包含f s r l h 和f s r l l 3 ) f s r 2 ：包食f s r 2 h 帮f s r 2 l 逐鸯i n d f o ，i n